Co to jest grawitacja kwantowa?

Jak ta koncepcja może zjednoczyć cztery podstawowe siły?

NAUKOWA BIBLIOTEKA ZDJĘĆ, Getty Images

Grawitacja kwantowa to ogólny termin dla teorii, które próbują ujednolicić grawitację z innymi podstawowe siły fizyki (które są już zjednoczone). Generalnie zakłada teoretyczny byt, grawiton, który jest wirtualną cząstką, która pośredniczy w sile grawitacyjnej. To właśnie odróżnia grawitację kwantową od niektórych innych zunifikowanych teorii pola – chociaż, szczerze mówiąc, niektóre teorie, które są zwykle klasyfikowane jako grawitacja kwantowa, niekoniecznie wymagają grawitonu.

Co to jest grawiton?

Standardowy model mechaniki kwantowej (opracowany w latach 1970-1973) zakłada, że ​​pozostałe trzy podstawowe siły fizyki są pośredniczone przez wirtualne bozony. Fotony pośredniczą w oddziaływaniu elektromagnetycznym, bozony W i Z pośredniczą w słabym oddziaływaniu jądrowym, a gluony (takie jak kwarki ) pośredniczą w silnych siłach jądrowych.

Grawiton zatem będzie pośredniczył w sile grawitacyjnej. Jeśli zostanie znaleziony, oczekuje się, że grawiton będzie bezmasowy (ponieważ działa natychmiastowo na duże odległości) i będzie miał spin 2 (ponieważ grawitacja jest polem tensorowym drugiego rzędu).

Czy grawitacja kwantowa jest sprawdzona?

Głównym problemem w eksperymentalnym testowaniu jakiejkolwiek teorii grawitacji kwantowej jest to, że poziomy energii wymagane do obserwacji przypuszczeń są nieosiągalne w obecnych eksperymentach laboratoryjnych.

Nawet teoretycznie grawitacja kwantowa napotyka poważne problemy. Grawitacja jest obecnie wyjaśniona przez teoria ogólnej teorii względności , który przedstawia zupełnie inne założenia dotyczące wszechświata w skali makroskopowej niż te, które czyni mechanika kwantowa w skali mikroskopowej.

Próby ich połączenia na ogół prowadzą do „problemu renormalizacji”, w którym suma wszystkich sił nie znosi się i skutkuje nieskończoną wartością. W elektrodynamice kwantowej zdarzało się to sporadycznie, ale można by zrenormalizować matematykę, aby usunąć te problemy. Taka renormalizacja nie działa w kwantowej interpretacji grawitacji.

Założenia grawitacji kwantowej są ogólnie takie, że taka teoria okaże się zarówno prosta, jak i elegancka, więc wielu fizyków próbuje działać wstecz, przewidując teorię, która ich zdaniem może wyjaśniać symetrie obserwowane we współczesnej fizyce, a następnie sprawdzając, czy te teorie działają .

Niektóre zunifikowane teorie pola, które są klasyfikowane jako teorie grawitacji kwantowej, obejmują:

• Teoria strun / teoria superstrun / teoria M
• Supergrawitacja
• Pętla grawitacji kwantowej
• Teoria Twistora
• Nieprzemienna geometria
• Euklidesowa grawitacja kwantowa
• Równanie Wheelera-deWitta

Oczywiście jest całkowicie możliwe, że jeśli grawitacja kwantowa istnieje, nie będzie ani prosta, ani elegancka, w takim przypadku do tych prób podchodzi się z błędnymi założeniami i prawdopodobnie byłyby niedokładne. Tylko czas i eksperymenty pokażą na pewno.

Możliwe jest również, jak przewidują niektóre z powyższych teorii, że zrozumienie grawitacji kwantowej nie tylko skonsoliduje teorie, ale raczej wprowadzi całkowicie nowe rozumienie przestrzeni i czasu.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine